KR101703971B1 - 휴대용 양방향 호흡량 측정장치 및 방법 - Google Patents

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영남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 계측용 호흡관 장치 및 모니터링 제어장치를 포함하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치에서, 상기 계측용 호흡관 장치는, 제1 직경의 내경을 가지는 원통형상으로 형성된 호흡관; 상기 호흡관의 입구측에 형성되며, 마우스피스가 탈착 가능하게 결합되는 마우스피스 결합구; 상기 호흡관 내부의 중앙에 예리한 경사부가 형성된 제2 직경의 개구부가 형성된 원형의 오리피스판; 을 포함하며, 상기 오리피스판을 중심으로 상기 호흡관의 입구 영역에는 2개 이상의 제1, 2 압력 감지센서가 상기 오리피스판으로부터 입구측으로 일정 간격을 가지고 형성되며, 상기 호흡관의 출구 영역에는 2개 이상의 제3, 4 압력감지센서가 상기 오리피스판으로부터 출구 측으로 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 오리피스판의 개구부의 에지에는 양측으로 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치가 제공된다.

Description

휴대용 양방향 호흡량 측정장치 및 방법{Portable bidirectional spirometer apparatus and method thereof}
본 발명은 휴대용 양방향 호흡량 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.
호흡량 측정장치는 사람이 숨을 내쉬기 시작하는 공기의 용적과 유량을 측정한다. 호흡량 측정은 일반적인 생리학적인 연구나, 특정인 환자의 진단 해석에 대해서 중요하다. 예를 들면, 폐나 천식의 병을 가지는 환자를 치료하는데 사용되는 다양한 약제의 효과는 투약의 전후에 규칙 올바른 간격으로 토해내는 공기의 용적과 유량을 감시해 올바르게 분석할 수 있다.
예를 들면, 가능한 한 많이 흡수한 위치에서 많이 토해낸 공기량으로 측정된 폐활량실측치를 폐활량 예측치로 나누어, %폐활량을 측정한다. %폐활량이 80% 이하가 되면 구속성 환기기능장해기 있다는 것으로 진단한다.
일반적으로, 폐활량계는 피검자로부터 벨로우즈 또는 다른 용기에 배출된 호흡량 용적을 모으는 것으로, 벨로우즈의 이동량이 배출된 공기의 용적에 상당하고 있다. 이 장치는 공기를 충분히 모으는 용적으로 할 만큼 크기 때문에, 휴대용 측정기로 이용하기에는 적합하지 않다.
또 다른 방법은 유량 측정장치에 의해 공기의 흐름을 측정하는 방법이 사용된다.
공기 또는 유체의 흐름을 측정하는 장치는 오리피스판(Orifice Plate), 밴츄리(Venturi)관 등을 이용하는 방법들이 연구되고 있다. 이들은 유체가 좁아진 관을 지나면서 압력의 차이가 나는 것을 바탕으로 공기의 흐름의 양 또는 호흡량을 측정한다.
이러한 소형 호흡량 측정장치 들은 대부분 피검자가 내뿜는 호기를 측정하도록 개발되고 있다.
정밀한 진단을 위해서는 호기량뿐 아니라 흡기량까지 정확하게 알아야 한다. 그러나 호기량과 흡기량이 모두 항상 비례하지 않기 때문에 호기량만을 측정하여서는 흡기량을 정확하게 알 수 없다.
사용자가 호흡계를 통하여 발산할 때 총 유랑의 측정 비율을 위해, 주기적 부등류를 생성하기 위해 적응된 fluidic 제트 오실레이터를 포함한 호흡량 측정장치들에 의하여 흡기와 호기를 모두 측정할 수 있는 장치들이 개발되고 있으나 구조가 복잡하여 휴대용으로 사용하는 데는 어려움이 있어 보인다.
본 발명과 관련된 배경기술은 대한민국 등록특허공보 KR 10-1517569호(호흡기류를 계측하는 모니터링 시스템)에 게시된 바 있다.
대한민국 등록특허공보 KR 10-1517569호(호흡기류를 계측하는 모니터링 시스템)
본 발명의 목적은 간단하고 경제적인 구조로 제조될 수 있는 오리피스판을 이용한 휴대용 양방향 호흡량 측정장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 계측용 호흡관 장치 및 모니터링 제어장치를 포함하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치에서, 상기 계측용 호흡관 장치는, 제1 직경의 내경을 가지는 원통형상으로 형성된 호흡관; 상기 호흡관의 입구측에 형성되며, 마우스피스가 탈착 가능하게 결합되는 마우스피스 결합구; 및 상기 호흡관 내부의 중앙에 예리한 경사부가 형성된 제2 직경의 개구부가 형성된 원형의 오리피스판; 을 포함하며, 상기 오리피스판을 중심으로 상기 호흡관의 입구 영역에는 2개 이상의 제1, 2 압력 감지센서가 상기 오리피스판으로부터 입구측으로 일정 간격을 가지고 형성되며, 상기 호흡관의 출구 영역에는 2개 이상의 제3, 4 압력감지센서가 상기 오리피스판으로부터 출구 측으로 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 오리피스판의 개구부의 에지에는 양측으로 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치가 제공된다.
또한, 상기 경사면은 30° ~ 50°범위에서 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 경사면은 45°로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 직경은 상기 제1 직경의 0.4 ~ 0.6의 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마우스피스 결합구에는 이물질 등을 차단할 수 있는 필터망이 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모니터링 제어장치는, 상기 제1, 2 압력감지센서 및 상기 제3, 4 압력감지센서로부터 측정된 압력 감지 신호가 입력되는 입력부; 상기 입력부로 입력된 감지신호는 연산하여 호기량 또는 흡기량을 산출하는 호흡량 연산부; 상기 각부를 제어하며, 상기 호흡량 연산부에서 산출된 호흡량 데이터를 출력 제어하는 제어부; 상기 제어부로부터 출력되는 호흡량 데이터를 디스플레이하는 표시부; 및 상기 제어부로부터 출력되는 호흡량 데이터를 블루투스 통신 또는 유선 USB통신으로 스마트폰 단말기로 전송하는 단말기용 인터페이스부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 개구부의 에지에 양측으로 경사면이 형성된 오리피스 판을 포함하는 계측용 호흡관 장치 및 모니터링 제어장치를 포함하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치가 흡기 및 호기량을 측정하는 방법에 있어서, 상기 모니터링 제어장치가 상기 계측용 호흡관 장치의 제1 내지 제4 압력 감지 센서들로부터 감지신호가 입력되는 단계; - 상기 계측용 호흡관 장치의 오리피스판을 중심으로 상기 호흡관의 입구 영역에는 상기 제1, 2 압력 감지센서가 상기 오리피스판으로부터 입구측으로 일정 간격을 가지고 형성되며, 상기 호흡관의 출구 영역에는 상기 제3, 4 압력감지센서가 상기 오리피스판으로부터 출구 측으로 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 함, 상기 제 1 내지 4 압력 감지센서의 입력된 값으로부터 측정되는 호흡량이 등속 유량인지 가속 유량인지 판단하는 유량 모델 판단 단계; 및 상기 유량 모델 산출단계에서 판단된 모델 유형에 따라 호흡량을 산출하는 호흡량 산출단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정방법이 제공된다.
또한, 상기 산출모델 판단단계에서, 상기 오리피스판으로부터 근접 지점인 제2 압력감지센서와 제3 압력감지센서 간 차이 값 1 및 상기 오리피스판으로부터 원접 지점인 제1 압력감지센서와 제4 압력감지센서의 차이값 2를 비교하여, 차이 값 1과 차이 값 2의 차이인 차이값 3이 설정된 임계값보다 큰 경우에는 가속유량 모델로 판단하고, 상기 차이값 3이 설정된 임계값보다 작을 경우에는 등속유량 모델로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유량 모델 판단 단계에서 등속유량 모델로 판단된 경우에는, 상기 호흡량 산출단계에서, 제2 압력감지센서와 제3 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값을 이용하여 데이터베이스의 축적된 자료로부터 호흡량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 유량 모델 판단 단계에서 가속유량 모델로 판단된 경우에는, 상기 호흡량 산출단계에서, 제2 압력감지센서와 제3 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값, 제1 압력감지센서와 제2 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값, 제3 압력감지센서와 제4 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값들로부터 산출한 속도변화값을 이용하여 호흡량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최소한의 크기 및 간단하고 경제적인 구조로 제조될 수 있으며, 호기량 및 흡기량 모두 정밀하게 측정할 수 있는 오리피스판을 이용한 휴대용 양방향 호흡량 측정장치가 제공될 수 있다.
도 1은 일방향 공기 흐름에 적합한 오리피스판의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 오리피스판으로 흐르는 유선의 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 휴대용 양방향 호흡량 측정장치의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 오리피스판(31)의 단면 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계측용 호흡관 장치의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 호흡량 측정방법을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
그리고 특정 실시 예들은 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 요구되는 조명에 대한 조건의 입력과 이를 바탕으로 한 조명 스펙트럼을 생성하여 개별 조명을 제어하는 방법을 제시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 일방향 공기 흐름에 적합한 오리피스판의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 관로의 중간에 관로의 단면적 보다 작은 개구부가 있는 얇은 판으로 유입 쪽(direction flow)에 예리한 가장자리(sharp edge)가 유출 쪽에 사면(bevel)이 형성된 스로틀이다.
지름 D인 유관(流管) 도중에 관의 지름 d(D＞d)의 오리피스판을 삽입하면, 그 직후에서 유속이 변화하여 압력이 떨어진다.
압력이 떨어지는 정확한 지점에 취출 센서를 장착하는 것이 오차 요인을 줄일 수 있게 된다. 일반적으로 취출지점은 측정 유체에 따라 차이가 있으나, 수평으로부터 상, 하방 30~ 45도에 위치하게 된다.
오리피스판의 개구부의 유출 면에 사면(bevel)을 형성함으로써, 난류의 발생을 줄이고 압력손실을 줄일 수 있다.
사면(bevel)이 없는 경우에 발생하는 난류의 발생이 심하게 일어나게 되며 이로 인하여 압력차와 유량과의 관계에 있어서 비선형 속성이 있게 되며 따라서 측정의 정밀도가 떨어진다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 호기가 빠져나가는 부분에 사면을 둠으로 난류의 발생을 줄이고 유량과 압력차의 선형성을 증가시켜서 보다 정밀한 등속유량의 측정이 가능할 수 있다.
도 1의 오리피스판의 경우에는 일방향으로 흐르는 유량만을 고려하였기 때문에 사면이 유량의 유속이 변화하는 방향으로 형성되었으며, 유량이 오리피스판(31)의 중심을 지나는 지점을 중심으로 이루어져 있다.
이렇게 일방향에 사면을 가진 오리피스판을 이용할 경우에는 호기에는 추가된 사면으로 인하여 선형성이 좋아지지만, 흡기의 경우에는 난류 등의 비선형성의 증가로 인하여 사용이 곤란할 수 있다.
따라서 도 1의 오리피스판은 호기 측정은 용이하나, 호기 및 흡기 모두를 측정하기에는 적합하지 않다.
도 2는 오리피스판으로 흐르는 유선의 분포를 설명하기 위한 도면이다.
속도가 시간에 따라 변하지 않고 일정한 값으로 유지되는 경우 오리피스 플레이트 유량계에서 유량은 다음과 같은 수학식1을 통해 구할 수 있다.
Figure 112015121554974-pat00001
수학식 1에서 Q는 부피유량 [m3/s], C는 유량계수 [-] A2는 오리피스 구멍의 유로면적 [m2], P1과 P2는 각각 오리피스 상류와 하류의 압력, ρ는 밀도이다.
위 수학식 1에서 C는 유량계수로서, 다음 [수학식 3]과 같은 형상변수들의 함수가 된다.
Figure 112015121554974-pat00002
수학식 2에서 d, su, sd는 각각 오리피스 구멍 직경, 오리피스로부터 상류에 위치한 압력측정 탭까지의 거리, 오리피스로부터 하류에 위치한 압력측정 탭까지의 거리이며, 이 변수들은 파이프 직경 D로 무차원화된다. 수학식 2로 대변되는 유량 계수와 관련 무차원 변수 간의 관계는 ISO 5167등 산업 표준에 따라 획일화된다. 즉 산업 표준으로 d/D, su /D, sd/D가 정해지고 그에 따라 C가 정해지며, 규정된 C값은 수학식1을 이용하며, 오리피스 전후 지점의 압력 측정을 통해 유량을 예측하는 데 활용된다.
오리피스 플레이트 타입 유량계의 캘리브레이션에서 가장 중요하게 여겨지는 수학식 1은 베르누이 방정식에 그 과학적 기반을 두고 있다. 수학식 1은 다음과 같은 과정을 통하여 산출된다.
오리피스 플레이트 전후의 상류 및 하류의 압력 측정 탭의 위치를 각각 아래 첨자 1, 2로 표기하기로 하면, 베르누이 방정식에 의해 다음 수학식 3으로 될 수 있다.
Figure 112015121554974-pat00003
질량 보존 법칙을 적용하여 정리하면, 다음 수학식 4가 성립된다.
Figure 112015121554974-pat00004
수학식 4를 수학식 3에 대입하면,
Figure 112015121554974-pat00005
수학식 5를 부피유량 Q에 대해 풀면, 수학식 6이 된다.
Figure 112015121554974-pat00006
여기서 면적비 A1/A2는, 파이프 직경비인(d2/d1)2로 치환된 것이다.
[수학식 6]은 엄밀하게는 오리피스판(130)을 통한 유동의 에너지 손실이 없을 때 유효하며, 실제로는 에너지의 손실이 있기 때문에 위 식의 우변에 1보다 작은 계수인 배출 계수 (discharge coefficient) Cd가 곱해져야 한다.
Figure 112015121554974-pat00007
위 식에서,
Figure 112015121554974-pat00008
를 유량 계수 C로 정의하면 전수한 수학식 1로 산출될 수 있다.
여기서 [수학식 1]은 공기 흐름 속도가 시간에 따라 변하지 않는 경우에는 2점의 압력측정을 통해 정확하게 유량을 계산하는데 활용될 수 있다. 수학식 1은 등속운동의 경우 베르누이 정리를 적용한 것이어서 공기의 흐름이 등속 범위에 있는 경우에는 유효하나, 공기의 흐름에 가속도가 있는 경우에는 정확한 유량을 산출하는 식으로 부적합하다.
공기 흐름의 속도가 시간에 따라 변하는 가속도인 경우에 베르누이 방정식은 다음 수학식 8과 같이 된다.
Figure 112015121554974-pat00009
위 식에서 φ는 속도 포텐셜 (velocity potential)로서, 다음 수학식 9와 같이 정의된다.
Figure 112015121554974-pat00010
축방향 속도성분만 존재하고, 그 값은 축방향으로만 변화한다고 가정하면 수학식 9는 다음 수학식 10과 같이 된다.
Figure 112015121554974-pat00011
수학식 10을 수학식9에 대입하면, 다음을 구할 수 있다.
Figure 112015121554974-pat00012
따라서, 공기의 흐름이 가속도인 경우에 정확한 유량을 산출하기 위해서는 오리피스(130) 전후의 압력 외에 가속의 흐름을 산출할 수 있는 압력 조건가 더 필요하게 된다.
도 2를 참조하면, 공기 파이프를 흐르는 유선은 오리피스(130) 전단 영역에서 흐르는 상류 유선(101) 및 오리피스 후단 영역에서 흐르는 하류 유선(102)과 같이 분포된다.
유량 계수는 도 2와 같은 유선의 두께, 주어진 파이프 및 오리피스 크기, 그리고 압력측정 위치 등에 따라 정해질 수 있다.
따라서, 상/하류 압력 측정 탭이 존재하는 위치에서는 유선의 두께가 유량계수 결정에 중요한 역할을 하게 된다.
그런데 가속이 존재하는 경우, 상/하류 유선의 두께가 주어진 유량계의 형상에 따라 획일적으로 규정되지 못하여 결과적으로 유량계수가 일의적으로 정해지지 못하게 된다.
따라서 유량을 구하기 위해서는 2점의 압력 외에도 각 영역의 가속도를 측정할 수 있는 2개의 구속조건이 더 필요하게 된다. 즉, 상류와 하류에서 각 구간 내에서의 속도 변화 성분인
Figure 112015121554974-pat00013
과
Figure 112015121554974-pat00014
에 해당하는 구간 내에서의 속도 변화를 직접 구하거나 또는 추정하기 위하여 각 구간 안에서 2개 지점에 대한 압력 변화를 측정하는 것이 필요하다.
본 발명의 일 실시 예에서는 상/하류에 각각 2개씩의 압력 측정 탭을 형성하고, 4점의 압력을 측정하여 가속도가 수반되는 경우의 유량을 정확하게 측정할 수 있도록 하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 휴대용 양방향 호흡량 측정장치의 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 휴대용 양방향 호흡량 측정장치(1)는 계측용 호흡관 장치(10)와 모니터링 제어장치(200)로 이루어진다.
계측용 호흡관 장치는, 제1 직경(D)의 내경을 가지는 원통 형상의 호흡관(10), 상기 호흡관의 입구측에 형성되며, 마우스피스(20)가 탈착 가능하게 결합되는 마우스피스 결합구(21); 중앙에 예리한 경사부가 형성된 제2 직경의 개구부가 형성된 원형의 오리피스판(31, 32), 및 압력을 감지하여 전기신호를 발생시키는 4개 이상의 압력 감지센서(S1 ~ S4)를 포함한다.
마우스피스 결합구(21)는 입구에 사용자가 입에 물어서 사용할 수 있는 마우스피스(20)가 탈착이 용이하도록 결합리브가 형성된다.
상기 마우스피스 결합구(21)에는 이물질 등을 차단할 수 있는 필터망(미도시됨)이 더 포함될 수 있다.
계측용 호흡관 장치는 중앙에 오리피스판(31)이 형성되며, 오리피스판(31)을 중심으로 호흡관(10)의 입구 영역에는 두 개 이상의 압력 감지센서(S1, S2)가 상기 오리피스판(31)으로부터 입구측으로 일정 간격을 가지고 형성되며, 호흡관(10)의 출구 영역에는 두 개 이상의 압력 감지센서(S3, S4)가 상기 오리피스판(31)으로부터 출구 측으로 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 4개의 압력 감지센서(S1 ~ S2)로부터 측정된 감지신호는 모니터링 제어장치(200)의 입력부(210)로 입력된다.
모니터링 제어장치(200)의 입력부(210)로 입력된 감지신호는 호흡량 연산부(211)에서 연산하여 호기량 또는 흡기량을 산출한다.
산출된 호흡량 데이터는 제어부(250)를 통하여 표시부(260)에 디스플레이된다.
또한, 제어부(250)는 데이터통신부(270)를 통하여 산출된 호흡량 데이터를 유선 또는 무선으로 진료서버(미도시됨)로 전송한다.
또한, 제어부(250)는 단말기용 인터페이스부(275)를 통하여 블루투스 통신 또는 유선 USB통신으로 스마트폰(미도시됨) 단말기를 이용하여 진료서버 및 필요한 장소에 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 오리피스판(31)의 단면 예를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 오리피스판(31)은 호기와 흡기 양 호흡량을 하나의 호흡관(10)으로 측정할 때, 난류의 발생을 억제하고 압력의 손실을 줄여서 효과적으로 호흡량을 측정하기 위하여, 오리피스판 개구부의 경사면을 오리피스 판 양측으로 형성된다.
오리피스판의 메인판의 굵기는 오리피스판이 구부러지지 않을 정도로 충분히 커야 한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 플라스틱 판을 적용하였을 때, 호흡기류에 의하여 휘어지지 않으려면 오리피스판의 메인판의 굵기(L)는 최소 3mm이상의 굵기를 가져야 하는 것으로 실험되었다.
3mm이하에서는 오리피스판이 휘어져서 오차가 발생할 수 있다.
또한, 3.3mm이상에서는 불필요하게 두껍게 되어 전체 크기가 커질 수 있다.
양측의 경사면 각도(Θ)는 30° ~ 50° 사이에서 계측치의 오차율이 가장 적게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서 가장 바람직한 각도(Θ)는 45°로 실험되었다.
오리피스판(31)의 메인판의 두께 3.0 ~ 3.3mm에서 경사도 45도 일 때, 개구부의 에지부(sharp edge)의 두께는 0.7 ~ 0.9mm가 최적으로 실험되었다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 계측용 호흡관 장치의 구조의 예를 도시한 것이다.
사용자가 마우스피스를 입에 물고 최대 호기량 또는 최대 호흡량 측정을 위하여 코를 막고 숨을 내쉬고 들이쉼에 따라서 오리피스판(31)의 통과 전후에 압력 차이가 발생된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이 압력 차이는 현재 유량의 속도와 가속도에 따라 차이를 보이게 되며, 이러한 차이를 바탕으로, 기존의 호흡량 측정 장치와 연동한 호흡량에 따른 센서값의 압력차이를 측정한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 휴대용 양방향 호흡량 측정장치의 측정 원리는 좁은 직경(s) 개구부를 가진 좁힌 오리피스판(31)을 가로질러 커지는 압력차를 측정하여 공기의 유량을 구한다. 공기의 흐름이 등속 범위를 유지하는 경우에 이 압력차에 대한 평방근은 유량과 비례하게 되며, 비례 계수는 오리피스판(31)의 양측 영역에 대한 흐름관의 영역의 비, 오리피스판의 치수 및 압력 측정 개소의 위치로부터 정하여질 수 있다.
또한, 상술한 물리적 측정 파라미터가 일정하게 유지되고 있으면, 압력차는 측정하는 유체의 유량과 밀도에만 의존하여 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 알려진 호흡량 및 유량 가속 상태를 바탕으로 유량 속도 및 유량 가속도와 압력감지센서의 차이를 바탕으로 주어진 센서값에 따른 유량을 추정하는 모델을 만들어 이를 바탕으로 호흡량의 호기 및 흡기량을 추정한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 정밀한 추정을 위하여, 오리피스판(31) 좌우에 두 쌍 이상(4개 이상)의 압력감지센서를 장착하여 호기 및 흡기량 측정에 대한 정밀도를 높이도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 호흡량 연산부(211)에서는 측정의 정밀도를 높이기 위하여, 각 센서로부터 입력된 값으로부터 S1-S4, S2-S3, S1-S2, S3-S4, S1-S3, S2-S4의 압력 차이값을 산출하여 호흡량 연산에 이용한다.
오리피스판을 이용한 유량계의 경우에는, S2의 압력감지센서 값과 S3의 압력감지센서값의 차이인 Δ(S2-S3)의 값을 이용하면 유량을 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 서는 S2와 S3의 압력차뿐 아니라, S1과 S4의 압력차인 Δ(S1-S4), 입력 압력인 S1과 S2의 압력차인 Δ(S1-S2), 입력 압력인 S3과 S4의 압력차인 Δ(S3-S4), 그리고 S1과 S3의 압력차인 Δ(S1-S3)와 S2와 S4의 압력차인 Δ(S2-S4)값이 추가로 입력된다.
입력 압력인 S1과 S2의 압력차인 Δ(S1-S2), 입력 압력인 S3과 S4의 압력차인 Δ(S3-S4)으로부터 속도변화값을 산출하고 이 속도변화값과 상기 Δ(S2-S3)의 값을 이용하면 호흡량을 추정할 수 있다.
이를 이용하여, 기존의 모델과는 다른 추가적인 모델 정밀도를 얻을 수 있다.
유량 변동을 추정하는데 있어서 기존의 모델에서는 등속의 호흡량 변동의 경우에 대해서만 모델링이 되어 사용되었으나, 본 발명의 일 실시 예에서는 흡기 호흡량과 같이 유량의 속도 변화가 심한 경우를 위한 가속 유량 모델을 이용함으로 유량의 정밀한 측정이 가능하도록 한 것이다.
예를 들면, S2-S3의 압력차와 S1-S4의 압력차의 차이인 (Δ(S2-S3)- Δ(S1-S4)) 값과 을 S1-S2의 압력차 Δ(S1-S2), 및 S3-S4의 압력차 Δ(S3-S4) 이용하여, 현재 유량이 등속 유량 모델에 가까운지, 가속 유량 모델에 가까운지를 판단할 수 있다.
등속 호흡량 또는 유량의 경우에는 현재 유량 또는 호흡량의 오리피스판(31)의 근접 지점(S2-S3) 간 및 원접 지점(S1-S4)의 차이 값을 비교했을 경우에 근접지점에서 차이가 큰 값을 나타내게 되는데, 가속 및 감속 호흡량이 있는 경우에는 이 차이값이 변동 범위가 설정된 임계값과 큰 차이를 나타내게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 이를 이용하여 등속 유량 모델이 적합한지 가속 유량 모델이 적합한지를 판단하게 된다.
가속 유량 모델이 적합하다고 판단된 경우에는, S2와 S3의 차이값 Δ(S2-S3), 외 추가적으로 S1과 S2의 압력차인 Δ(S1-S2), S3과 S4의 압력차인 Δ(S3-S4)를 이용하여 속도변화값을 산출하고 이를 이용하여 호흡량을 산출한다.
또한, Δ(S1-S4), Δ(S1-S3), Δ(S2-S4)의 압력차를 더 포함하여 압력과 유량과의 관계 모델을 적용함으로써 보다 정밀한 호흡량 추가가 가능하다.
또한, 호기(101)에는 입력 압력으로 Δ(S1-S2)가 사용되고, 흡기(102)에는 입력 압력으로 Δ(S4-S3)이 사용된다. 호기와 흡기의 경우에 유량의 기하학적 영향을 차이로 인하여 다른 보상 계수를 사용하거나 모델을 사용할 수 있다.
또한, 제어부(250)는 호기량인 경우, 입력부(210)에서 입력되는 압력정보를 기준으로 하여 S1에서 입력되는 데이터 정보가 S2에서 입력된 정보보다 클 경우에만 입력되는 압력정보가 정상적으로 작동되는 것으로 판단하고 호흡량 데아터를 연산 처리하도록 제어한다.
또한, 제어부(250)는 흡기량인 경우, 입력부(210)에서 입력되는 압력정보를 기준으로 하여 S3에서 입력되는 데이터 정보가 S4에서 입력된 정보보다 클 경우에만 입력되는 압력정보가 정상적으로 작동되는 것으로 판단하고 호흡량 데아터를 연산 처리하도록 제어한다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 센서에서 측정된 감지값들이 유의미한 범위 내에 있을 경우에만 압력감지센서들의 출력값을 정상적으로 판단하여 센서의 고장 유무를 쉽게 알 수 있어 정밀한 측정이 가능하다.
도 4를 참조하면, 계측용 호흡관 장치는 원통 형상의 호흡관(10) 내부에 중앙에 예리한 경사부가 형성된 제2 직경(s)의 개구부가 형성된 원형의 오리피스판(31, 32)이 형성된다.
제2 직경(s)의 개구부를 가로지르는 압력차는 유량의 평방근의 함수이다. 따라서, 측정해야 할 최대유량에 대해서 과도한 역압을 부여하지 않고, 사용자가 편안하게 측정할 수 있는 정도의 저속 유량으로 적절하고 측정 가능한 압력차를 가지는 오리피스판(31) 개구부의 치수를 선정할 필요가 있다.
한편, 계측용 호흡관 장치의 호흡관(10)은 포켓에 넣을 수 있는 정도의 소형의 크기를 가지며, 사용자가 한 손으로 잡고 입으로 흡기와 호기 측정을 할 수 있는 정도에서 최소한의 크기를 가지는 것이 바람직하다.
다양한 실험 결과 상기 호흡관(10)의 길이는 최소 35mm이상이며, 최대 크기는 120mm이하인 것이 바람직하다.
호흡관(10)의 길이는 최소 35mm 미만에서는 감지 센서 간격이 가까워져서 센서들 간에 측정된 데이터의 오차가 심하여 정밀한 측정데이터를 얻기가 곤란하다.
또한, 호흡관(10)의 길이가 120mm를 넘게 되면 외형 사이즈가 커지게 되며, 포켓에 넣기가 불편하여 휴대가 곤란할 수 있다.
한편, 호흡관 장치(1)의 내경 치수(S)는 측정하고자 하는 호흡량의 기류값 및 유체저항에 따라 정해질 수 있다.
미국 흉부학회에서는 임상용 폐활량계의 유체저항 최대치가 1.5 cmH2O/ℓ/sec, 자가 진단용 폐활량계의 유체저항 최대치가 2.5 cmH2O/ℓ/sec가 되도록 권고하고 있으며, 측정하여야 하는 최대 호흡 기류값(F)이 14 ℓ/sec가 되도록 권고하고 있다.
호흡관 장치(1)의 내경 치수는 측정에 필요한 정압력(Ps) 범위를 구하여 산출될 수 있다.
측정에 필요한 정압력 범위는 유체저항(R)과 호흡기류(F)의 곱에 의하여 산출될 수 있다.
[식 1]
Ps = R x F
위 식을 적용하여 길이 35 ~ 100mm를 가지는 원통에 정압력이 21 ~35 cmH2O 의 값을 가지며, 최대 호흡 기류값(F)이 14 ℓ/sec가 되도록 하기 위한 호흡관 장치(1)의 내경 치수(D)는 15mm ~ 22mm 인 것이 적합한 것으로 실험되었다.
한편, 호흡관(10)의 단면적에 의해 호흡량의 크기가 결정될 수 있는데, 최소 측정 호흡량을 기준으로 할 때, 오리피스 직경율(오리피스판의 중앙 개구부의 비율 β= s/D)은 0.4 ≤ β ≤ 0.6의 범위에서 채택되는 것이 정확성을 유지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서는 다수의 실험결과 가장 오차율이 적게 나타나는 오리피스 직경율인 β = 0.5로 채택하여, 상기 호흡관 장치(1)의 내경 치수(S)를 16mm로 정하였을 때, 상기 오리피스의 중앙 개구부의 제2 직경(s)은 8mm로 설정하여 제조하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 양방향 호흡량 측정방법을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모니터링 제어장치(200)에서 호흡량 측정 방법은, 먼저 각 압력감지센서 들로부터 감지신호가 입력되는 호흡량 감지 신호 입력단계(310)가 수행된다.
다음은 각 압력감지센서 들로부터 입력되는 호흡량이 등속 유량인지 가속 유량인지 판단하는 유량 모델 판단 단계(320)가 수행된다.
산출모델 판단단계(320)에서는 상기 오리피스판(31)으로부터 근접 지점(S2-S3) 간 차이값1 및 상기 오리피스판으로부터 원접 지점(S1-S4)의 차이 값 2를 비교하여 차이값1 ~ 차이값 2의 차이값인 차이값 3이 설정된 임계값보다 큰 경우에는 가속유량 모델로 판단하고, 상기 차이값 3이 설정된 임계값보다 작을 경우에는 등속유량 모델로 판단한다.
다음은 유량 모델 산출단계에서 판단된 모델 유형에 따라 호흡량을 산출하는 호흡량 산출단계가 수행된다.
유량 모델 판단 단계(320)에서 등속유량 모델로 판단된 경우에는 등속유량 모델 호흡량 산출단계(332)에서,
S2와 S3의 압력 신호에 의한 압력 차이값을 이용하여 호흡량연산을 수행하거나, S2와 S3의 압력 신호에 의한 압력 차이값을 이용하여 데이터베이스의 축적된 자료로부터 호흡량을 산출하는 단계(332)가 수행된다.
또한, 유량 모델 판단 단계(320)에서 가속유량 모델로 판단된 경우에는 가속유량모델 호흡량 산출단계(331)에서, S2와 S3의 차이값 Δ(S2-S3)외 추가적으로 S1과 S2의 압력차인 Δ(S1-S2), S3과 S4의 압력차인 Δ(S3-S4)를 이용하여 속도변화값을 산출하여 호흡량을 연산할 수 있다.
또는, S1과 S3의 압력차인 Δ(S1-S3), S2와 S4의 압력차인 Δ(S2-S4), S2와 S3의 차이값 Δ(S2-S3), S1과 S3의 압력차인 Δ(S1-S3), S2와 S4의 압력차인 Δ(S2-S4)를 호흡량 연산에 포함함으로써, 더욱 정밀한 호흡량을 연산할 수 있다.
이렇게 산출된 차이값들을 이용하여 속도변화값을 산출하고 오리피스 양?쳄? 압력차를 산출한 값들을 이용하여 호흡량을 연산하거나, 산출된 속도변화값과 오리피스 양?쳄? 압력차를 이용하여 데이터베이스의 축적된 자료로부터 호흡량을 산출하는 단계(331)가 수행된다.
다음은 호흡량 출력 단계(341)가 수행된다.
호흡량 출력단계에서는 산출된 호흡량을 표시부(260)로 출력한다.
또한, 출력단계에서 산출된 호흡량 데이터를 데이터통신부(270)를 통하여 유선 또는 무선으로 진료서버(미도시됨)로 전송하는 단계(342)가 포함된다.
또한, 출력단계에서 산출된 호흡량 데이터를 단말기용 인터페이스부(275)를 통하여 블루투스 통신 또는 유선 USB통신으로 스마트폰(미도시됨) 단말기로 전송하고, 전송된 호흡량 데이터는 스마트폰 단말기를 이용하여 진료서버 및 필요한 장소에 전송하는 단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 호기량의 측정을 통하여 1초간의 노력성 호기량(FEV1), 6초간의 노력성 호기량(FEV6), 최대 호기유량(PEFR)뿐 아니라, 흡기의 측정이 가능하기 때문에 흡기량, 및 총 호흡량을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 최소한의 크기 및 간단하고 경제적인 구조로 제조될 수 있으며, 호기량 및 흡기량 모두 정밀하게 측정할 수 있는 오리피스판을 이용한 휴대용 양방향 호흡량 측정장치가 제공될 수 있다.
1: 계측용 호흡관 측정장치
10: 호흡관
20: 마우스피스
21: 마우스피스 결합구
31: 오리피스판
200: 모니터링 제어장치
210: 입력부
211: 호흡량 연산부
250: 제어부
260: 표시부
270: 데이터 통신부
275: 단말기용 인터페이스부
S1 ~ S4: 압력 감지 센서

Claims (10)

  1. 계측용 호흡관 장치 및 모니터링 제어장치를 포함하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치에서,
    상기 계측용 호흡관 장치는,
    제1 직경의 내경을 가지는 원통형상으로 형성된 호흡관;
    상기 호흡관의 입구측에 형성되며, 마우스피스가 탈착 가능하게 결합되는 마우스피스 결합구; 및
    상기 호흡관 내부의 중앙에 예리한 경사부가 형성된 제2 직경의 개구부가 형성된 원형의 오리피스판; 을 포함하며,
    상기 오리피스판을 중심으로 상기 호흡관의 입구 영역에는 2개 이상의 제1, 2 압력 감지센서가 상기 오리피스판으로부터 입구측으로 일정 간격을 가지고 형성되며, 상기 호흡관의 출구 영역에는 2개 이상의 제3, 4 압력감지센서가 상기 오리피스판으로부터 출구 측으로 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 오리피스판의 개구부의 에지에는 양측으로 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치,
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경사면은 30° ~ 50°범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치,
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경사면은 45°로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치,
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 직경은 상기 제1 직경의 0.4 ~ 0.6의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마우스피스 결합구에는 이물질을 차단할 수 있는 필터망이 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링 제어장치는,
    상기 제1, 2 압력감지센서 및 상기 제3, 4 압력감지센서로부터 측정된 압력 감지 신호가 입력되는 입력부;
    상기 입력부로 입력된 감지신호는 연산하여 호기량 또는 흡기량을 산출하는 호흡량 연산부;
    상기 호흡량 연산부에서 산출된 호흡량 데이터를 출력 제어하는 제어부;
    상기 제어부로부터 출력되는 호흡량 데이터를 디스플레이하는 표시부; 및
    상기 제어부로부터 출력되는 호흡량 데이터를 블루투스 통신 또는 유선 USB통신으로 스마트폰 단말기로 전송하는 단말기용 인터페이스부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치
  7. 개구부의 에지에 양측으로 경사면이 형성된 오리피스 판을 포함하는 계측용 호흡관 장치 및 모니터링 제어장치를 포함하는 휴대용 양방향 호흡량 측정장치가 흡기 및 호기량을 측정하는 방법에 있어서,
    상기 모니터링 제어장치가 상기 계측용 호흡관 장치의 제1 내지 제4 압력 감지 센서들로부터 감지신호가 입력되는 단계;
    - 상기 계측용 호흡관 장치의 오리피스판을 중심으로 상기 호흡관의 입구 영역에는 상기 제1, 2 압력 감지센서가 상기 오리피스판으로부터 입구측으로 일정 간격을 가지고 형성되며, 상기 호흡관의 출구 영역에는 상기 제3, 4 압력감지센서가 상기 오리피스판으로부터 출구 측으로 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 함,
    상기 제 1 내지 4 압력 감지센서의 입력된 값으로부터 측정되는 호흡량이 등속 유량인지 가속 유량인지 판단하는 유량 모델 판단 단계; 및
    상기 유량 모델 산출단계에서 판단된 모델 유형에 따라 호흡량을 산출하는 호흡량 산출단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정방법,
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유량모델 판단단계에서, 상기 오리피스 판으로부터 근접 지점인 제2 압력감지센서와 제3 압력감지센서 간 차이값1 및 상기 오리피스 판으로부터 원접 지점인 제1 압력감지센서와 제4 압력감지센서의 차이값 2을 비교하여, 차이값 1과 차이값 2의 차이인 차이값 3이 설정된 임계값보다 큰 경우에는 가속유량 모델로 판단하고, 상기 차이값 3이 설정된 임계값보다 작을 경우에는 등속유량 모델로 판단하는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정방법,
  9. 제7항에 있어서,
    상기 유량 모델 판단 단계에서 등속유량 모델로 판단된 경우에는,
    상기 호흡량 산출단계에서
    제2 압력감지센서와 제3 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값을 이용하여 데이터베이스의 축적된 자료로부터 호흡량을 산출하는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정방법
  10. 제7항에 있어서,
    상기 유량 모델 판단 단계에서 가속유량 모델로 판단된 경우에는,
    상기 호흡량 산출단계에서
    제2 압력감지센서와 제3 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값, 제1 압력감지센서와 제2 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값, 제3 압력감지센서와 제4 압력감지센서의 신호에 의한 압력 차이값들로부터 산출한 속도변화값을 이용하여 호흡량을 산출하는 것을 특징으로 하는 휴대용 양방향 호흡량 측정방법

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